成年人腰椎三维动力学模型设计与性能分析的基础研究

发布时间：2017-12-20 03:24

  本文关键词：成年人腰椎三维动力学模型设计与性能分析的基础研究　出处：《北京化工大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：脊柱相关疾病研究是一门新兴的学科。脊椎病是指脊柱由于力平衡失调或其周围软组织炎症而产生病变。目前,脊椎病已成为常见病和高发病,并且呈现出低龄化的趋势。因此,脊椎类疾病的防治与治疗越来越受到社会的重视。有限元方法是理论生物力学研究中最有效的应力分析方法,与实验生物力学方法相比,有限元法在可替代性、可重复性及可控性等方面具有独特的优越性。 本课题的主要研究内容是利用一种新方法进行人体腰椎段的建模,根据所查阅文献中获取的脊柱各结构数据,建立人体脊柱L3-L5段三维几何模型,利用有限元分析软件ANSYS进行了腰椎的力学性能分析,并采用3D打印的加工方法加工出腰椎实体模型,主要工作内容如下： (1)腰椎L3-L5段几何模型的建立。根据所查阅人体解剖学文献,得到成年男性腰椎L3-L5段各结构外形数据,运用SolidWorks分别建立腰椎的各部分结构,包括椎骨、椎间盘、小关节等,将各部分进行组合、装配,使得椎间盘与椎骨制件紧密贴合,并保持腰椎模型的前弯角度与生理弯曲角度一致,以便于后续ANSYS分析中进行加载与约束。 (2)腰椎L3-L5段有限元模型的建立。将SolidWorks中建立的三维几何模型导入ANSYS WorkBench中,进行前处理。在设置材料属性时,腰椎各部分结构的材料属性都不相同,其弹性模量呈梯度变化趋势。 (3)腰椎L3-L5段力学特性分析。完成有限元建模后,在软件中对该模型施加不同的力、力矩,通过Solve模块求解,在Solution中查看其应力应变情况。本文分别模拟腰椎直立位受压、侧屈以及腰椎前弯时椎骨与椎间盘的应力应变情况。得出如下结论：当腰椎承受轴向压力为500N时,椎骨的最大变形量为1.107mm,随着轴向压力的增大,椎骨的最大变形量也随之增加；当腰椎受到侧向力矩为2.5Nm时,椎骨L3上表面发生的侧屈角位移为1.2°：腰椎负重100N前弯过程中,当前弯角度为30°时,椎间盘的最大应力为2.78MPa,椎骨的最大变形为6.870mm。随着前弯角度的增加,椎间盘的应力与椎骨的变形均会增加。 (4)模型加工与测试。首先将模拟结果与前人实验数据作对比,验证其准确性。同时将所建腰椎三维模型利用3D打印方法加工出实体模型,所用材料为ABS,进行模型精度测试。将得到以下结论：3D打印出的模型分辨率较好,表面无毛刺,但是打印速度与打印精度仍需提高。腰椎有限元模型的力学性能测试与前人实验结果相符,说明本文所建腰椎模型是有效的,可以反映人体真实情况。 本文的研究成果不仅对脊柱生物力学研究提供了量化参考依据,而且为3D打印人工骨骼应用于脊柱外科手术提供理论依据,也为开发出新的3D打印材料(复合材料、功能性梯度材料等)提供帮助,从而推动脊柱相关疾病治疗研究向更加深入的层面发展。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R681.5;TP391.7

【参考文献】

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本文编号：1310575